基于ATmega16A的低功耗高精度橋式溫度測量系統設計

沈丹鳳 ，來瑞俊，孔英會 ，田 川

（1.華北電力大學電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

基于ATmega16A的低功耗高精度橋式溫度測量系統設計

沈丹鳳1，來瑞俊1，孔英會1，田 川2

（1.華北電力大學電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

當前溫度測量應用越來越廣泛，針對工農業及科研領域對低功耗及高精度測溫的要求，系統描述了一個橋式測溫系統的設計方案與工作原理。系統采用低功耗AVR單片機作為控制芯片，通過單臂分壓將熱敏電阻分壓后的電壓信號傳入A/D轉換芯片，再將A/D轉換后的數字量送入單片機計算，從而得到熱敏電阻阻值，最后通過曲線擬合算出所測溫度值。系統能實現低功耗、高精度測溫。

低功耗；高精度；溫度測量

目前，在工農業生產和科學研究中，溫度測量技術已得到廣泛應用，這使得測溫系統的高精度、低功耗成為發展的必然趨勢。在保證系統穩定工作的前提下，實現系統的高精度以及低功耗成為測溫領域的主要問題。

橋式測溫原理作為常見的測溫技術，因其成本低、精度高、功耗低等優點，有著廣闊的應用前景。本文利用AT-mega16A單片機及其外擴的AD轉換芯片，Flash存儲芯片以及時鐘芯片等設計了一個高精度低功耗的橋式溫度測量系統，能測量-2～50°C之間的溫度值，可廣泛應用于海水溫度測量等這些需要高精度測溫的領域。

1 工作原理及系統概述

本系統采用Atmel公司的ATmega16A作為控制芯片，主要分為AD電壓采集部分、時鐘定時控制部分以及數據存儲部分。ATmega16A為超低功耗單片機[1]，我們采用3.686 4 MHz晶振，從而使得系統功耗大大減小。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

系統由一節鋰亞電池供電，單片機通過I2C總線將系統時間，采樣間隔等常數寫入時鐘芯片PCF8583中，PCF8583能實現定時功能，它根據采樣間隔控制開關電路，從而使得電池對系統間歇供電，大大降低了功耗。測溫電橋[2]將熱敏電阻隨所測溫度變化的電壓信號輸出，經過放大電路[3]放大送入A/D轉換器轉換為數字量，再送入單片機進行計算，得出熱敏電阻的阻值，最后將熱敏電阻的阻值存入大容量存儲器中。經測試，系統在采集數據時工作電流在8 mA以下，待機電流在80 μA左右。本系統采用間斷采樣測溫方式，采集一個有效數據需要1 s時間，因此在實際工作過程中，真正消耗8 mA的時間是很有限的。溫度測量誤差小于0.01℃，完全符合高精度低功耗的測溫要求。

2 系統各組成部分具體設計

2.1 A/D電壓采集部分

采用凌特公司生產的A/D轉換芯片LTC2411I。LTC2411I是一2.7～5.5 V供電電壓的24位的A/D轉換芯片。工作溫度在-40～85℃之間。它的輸入電壓動態范圍為-VREF/2～VREF/2，在本系統中即為-1.5～1.5 V，由于一般A/D支持正電源輸入，因此系統中動態范圍為0～1.5 V。該24位A/D芯片轉換速度比較慢，轉換時間為160 ms，因此十分適合用作高精度測量方面。

A/D模塊硬件連接圖如圖2所示。

測溫電橋將熱敏電阻RT隨所測溫度變化的電壓信號經放大器放大后輸入A/D。系統用美信公司生產的高精度基準電壓源MAX6163為測溫電橋和A/D轉換器提供基準電壓，這樣就形成了比值測量系統,因為比值工作,所以消除測量系統中的漂移誤差,電壓源變化不降低系統性能。

圖2 A/D電壓采集轉換模塊

單片機的SPI口[4]與A/D和存儲器相連，當A/D要將轉換后的電壓值傳入單片機時，單片機通過片選[5]選通A/D，關斷存儲器，當單片機要將數據存入存儲器時就通過片選選通存儲器，關斷A/D。當LTC2411I接收到單片機傳來的時鐘信號SCK時，就將轉化好的數據通過SPI口傳入單片機。LTC2411I輸出為32位數據，位31在第一個時鐘信號的上升沿傳出，位30在第一個時鐘信號的下降沿傳出，這里由于A/D轉換時間為160 ms，速率比較低，因此從單片機傳來的時鐘必須比較小，SPI才能接收到數據，這里對振蕩器頻率fosc進行128分頻，從而能正確接收A/D出來的電壓值。

2.2 時鐘芯片控制部分

系統采用帶有I2C總線接口的PCF8583作為時鐘控制芯片，該芯片具有極低的功耗，同時它還有256字節的靜態RAM，在系統中起到了很大的作用。RAM的前16個字節為可尋址的專用功能寄存器，用來設定系統時間等，后240個字節為自由空間，可用來存放數據及其他標志位或采樣間隔等常數。單片機通過I2C總線與PCF8583相連，從而將系統時間，采樣間隔以及一些標志位寫入相應寄存器中。

圖3 PCF8583時鐘控制模塊

PCF8583時鐘控制部分硬件連接圖如圖3所示。

電池通過一個小開關給整個系統供電，PCF8583作為日歷時鐘可自動計時。單片機通過I2C總線給PCF8583設定一個固定時間，即采樣間隔，當PCF8583定時器計數溢出時，產生定時器溢出中斷，即7腳輸出低電平，打開所連的開關電路，開關電路連接的為LTC1844的/SHDN腳，開關電路打開使/SHDN腳為高電平，LTC1844開始工作，從而給整個系統供電；當再次給PCF8583設定定時時間時，7腳出高電平，開關電路關斷，/SHDN腳為低電平，LTC1844關斷，即整個系統不工作，從而實現了系統的間歇工作。

2.3 數據存儲部分

系統采用Atmel公司生產的AT45DB321D存儲芯片作為數據存儲器，它具有32兆位的容量，它的主存儲器有8192頁，每頁有528個字節，另外它具有2個數據緩沖區，每個緩沖區有528個字節，該存儲芯片有十分靈活的擦寫功能，因此能很好的實現大容量存儲，為長時間測量提供了很大的數據存儲空間，同時它低功率損耗的特性也十分適合在低功耗系統中使用。這里單片機通過SPI將數據存入存儲器，當A/D采樣結束后，單片機通過片選斷開A/D，選中存儲器，然后將數據傳入存儲器。

在數據存儲時，由于主存只能定位于某一頁并不能定位一頁上的具體某一字節，因此，系統間歇工作時無法實現連續存儲。對此，我們充分利用PCF8583的240字節的靜態RAM，將計算的電阻值先存入PCF8583的RAM中，存滿168個字節后轉入AT45DB321D的主存中，這樣，3次就存了504個字節，加上系統時間，采樣間隔等固定常數24個字節,為528個字節（一頁），這樣就可實現數據的整頁存儲了。

3 系統軟件設計

系統軟件主要實現系統設置，A/D的采集，電阻值的計算，數據存儲以及定時供電的功能，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程

4 測溫系統的精度標定

測溫系統在恒溫槽中進行標定，恒溫槽的溫度精度是0.005℃，經過2次測量標定當恒溫槽溫度從50℃變化到-2℃時，測得0℃,5℃,15℃,25℃,35℃這5個點的熱敏電阻值分別如表1和表2所示。

表1 所測熱敏電阻值

表2 所測熱敏電阻值

由電阻值求溫度的公式為：

由表1數據擬合得出系數A,B,C,D分別為：

根據這些系數以及表2所測得的熱敏電阻值，計算表2各熱敏電阻值所對應的溫度以及該溫度與測量所得的溫度之間的誤差，如表3所示。

表3 所測溫度值與誤差

通過以上數據分析可得所測溫度誤差均在0.01℃之內，因此本測溫系統達到了高精度的測溫要求。

5 結語

本文采用模塊化的方法介紹了橋式測溫系統的設計方案及工作原理，其性能可靠，功耗小，存儲容量大，并且具有很高的精度，因此具有廣泛的應用前景。

[1]楊正忠,耿德根.AVR單片機應用開發指南及實例精解[M].北京：中國電力出版社,2008:123-278.

[2]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社,1999.

[3]馬潮.高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南（上）[M]．北京：北京航天航空大學出版社，2004.

[4]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]席德勛.現代電子技術[M].北京：高等教育出版社，1997.

Design of Low Power and High-precision Bridge Temperature Measurement System Based on ATmega16A

SHEN Dan-feng1,LAI Rui-jun1,KONG Ying-hui1,TIAN Chuan2
(1.Department of Electronics and Communication Engineering,North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

At present,temperature measurement is used widely to meet the low power and high-precision requirements of the industrial,agricultural and scientific research fields.The design of a bridge temperature measurement system and its working was described.A low-power AVR microcontroller was used as the control chip,which input the voltage signal to the A/D converter chip by the partial pressure arm,then input the digital signal of the A/D converter to SCM to get the thermal resistance.Finally,the temperature values were calculated by curve fitting.It can realize low power consumption,high precision temperature measurement.

low power consumption;high-precision;temperature measurement

TP342.3

B

1003-2029（2012）01-0058-04

2011-06-07

沈丹鳳（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向為互聯網技術。